(57)【要約】【課題】触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて、高い発電特性を示す電極触媒層の製造方法並びに電極触媒層、膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池を提供する。【解決手段】一対の電極触媒層で挟まれた高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池における電極触媒層であって、表面に導電性を付与した触媒物質を作製する工程を備えることを特徴とする固体高分子形燃料電池用電極触媒層の製造方法により課題を解決できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、
前記電極触媒層は触媒物質と導電性物質と高分子電解質とを備え、
（１）前記触媒物質の表面に導電性物質を有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、
（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、
（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程と
を備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項２】
前記工程（１）において、前記導電性物質が導電性ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項３】
前記工程（１）において、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項４】
前記工程（２）が、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質である炭素粒子とを無溶媒で混合させて得られる混合物と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項５】
前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項６】
前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項７】
前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項８】
表面に導電性物質を有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
【請求項９】
前記導電性物質が導電性ポリマーであり、他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１０】
前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１１】
前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１２】
前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１３】
前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１４】
一対の請求項１３に記載の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極触媒層の製造方法、電極触媒層及びその電極触媒層を備えてなる膜電極接合体と固体高分子形燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは、非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層の製造方法、電極触媒層及びその電極触媒層を備えてなる膜電極接合体と固体高分子形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを、触媒を含む電極で水の電気分解の逆反応を起こさせ、熱と同時に電気を生み出す発電システムである。この発電システムは、従来の発電方式と比較して高効率で低環境負荷、低騒音などの特徴を有し、将来のクリーンなエネルギー源として注目されている。用いるイオン伝導体の種類によってタイプがいくつかあり、プロトン伝導性高分子膜を用いたものは、固体高分子形燃料電池と呼ばれる。【０００３】
燃料電池の中でも固体高分子形燃料電池は、室温付近で使用可能なことから、車載用電源や家庭据置用電源などへの使用が有望視されており、近年、様々な研究開発が行われている。固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下、ＭＥＡと称すことがある）と呼ばれる高分子電解質膜の両面に一対の電極を配置させた接合体を、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給し、前記電極の他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給するためのガス流路を形成した一対のセパレーター板で挟持した電池である。ここで、燃料ガスを供給する電極を燃料極、酸化剤を供給する電極を空気極と呼んでいる。これらの電極は、一般に、白金系の貴金属などの触媒物質を担持したカーボン粒子と高分子電解質を積層してなる電極触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層からなる。【０００４】
固体高分子形燃料電池の実用化に向けての課題は、出力密度や耐久性の向上などが挙げられるが、最大の課題は低コスト化である。【０００５】
現在の固体高分子形燃料電池には、高価な白金が電極触媒として用いられており、本格普及には、代替材料の開発が強く求められている。特に、空気極では、燃料極よりも多くの白金を使用しているため、空気極において高い酸素還元触媒能を示す白金代替材料（非白金触媒）の開発が盛んである。【０００６】
空気極における非白金触媒の例として、例えば特許文献１には、遷移金属である鉄の窒化物と貴金属の混合物が記載されている。また、特許文献２には、遷移金属であるモリブデンの窒化物が記載されている。しかし、特許文献１及び特許文献２で記載されているような触媒物質は、酸性電解質中での酸素還元能が不充分であり、且つ、触媒物質が溶解する場合がある。【０００７】
一方、非特許文献１には、部分酸化されたＴａの炭窒化物が記載されており、優れた安定性と触媒能を持つことを示している。しかし、この酸化物系非白金触媒は、触媒単体として高い酸素還元触媒能を示しているが、白金触媒のように炭素粒子に担持されておらず、また、触媒物質単体の導電性が低い為、触媒物質表面に導電性を付与する必要がある。【０００８】
また、特許文献３には、非白金触媒を用いたＭＥＡが記載されているが、その電極触媒層の作製手法は、例えば、特許文献４及び特許文献５などに記載されている白金触媒で用いられる従来の作製手法であるため、非白金触媒に適していないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−４４６５９号公報
【特許文献２】特開２００５−６３６７７号公報
【特許文献３】特開２００８−２７０１７６号公報
【特許文献４】特開平１−６２４８９公報
【特許文献５】特開平５−３６４１８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ”，  Ｖｏｌ．１５５，  Ｎｏ．４，  ｐ．Ｂ４００−Ｂ４０６（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、触媒物質に酸化物系非白金触媒を用いて高い発電特性を示す電極触媒層の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は鋭意検討を重ねた結果、上記課題を解決することができ、本発明を完成するに至った。【００１３】
本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、前記電極触媒層は触媒物質と導電性物質と高分子電解質とを備え、（１）前記触媒物質の表面に導電性物質を有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程とを備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１４】
本発明の請求項２に係る発明は、前記工程（１）において、前記導電性物質が導電性ポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１５】
本発明の請求項３に係る発明は、前記工程（１）において、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１６】
本発明の請求項４に係る発明は、前記工程（２）が、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質である炭素粒子とを無溶媒で混合させて得られる混合物と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１７】
本発明の請求項５に係る発明は、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１８】
本発明の請求項６に係る発明は、前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００１９】
本発明の請求項７に係る発明は、前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。【００２０】
本発明の請求項８に係る発明は、表面に導電性物質を有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備えることを特徴とする燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２１】
本発明の請求項９に係る発明は、前記導電性物質が導電性ポリマーであり、他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２２】
本発明の請求項１０に係る発明は、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２３】
本発明の請求項１１に係る発明は、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２４】
本発明の請求項１２に係る発明は、前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２５】
本発明の請求項１３に係る発明は、前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。【００２６】
本発明の請求項１４に係る発明は、一対の請求項１３に記載の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体としたものである。【００２７】
本発明の請求項１５に係る発明は、請求項１４に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、触媒物質および導電性物質と高分子電解質を備える電極触媒層において、前記触媒物質の表面に導電性を付与することで、電極触媒層の形成時に、触媒物質表面の導電性が高められる。その結果、反応活性点が増加し、出力性能の向上した電極触媒層の製造方法及び電極触媒層並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の膜電極接合体の断面模式図である。
【図２】本発明の固体高分子形燃料電池の分解模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体について説明する。なお、本発明の実施の形態は、以下に記載する実施の形態に限定されうるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の実施の形態の範囲に含まれうるものである。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係る膜電極接合体１２は、高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の一方の面に空気極側の電極触媒層２と、高分子電解質膜１のもう一方の面に燃料極側の電極触媒層３を備えている。
【００３２】
図２に本発明の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池の分解模式図を示した。本発明の固体高分子形燃料電池にあっては、膜電極接合体１２の電極触媒層２および電極触媒層の３と対向して空気極側のガス拡散層４および燃料極側のガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極（カソード）６及び燃料極（アノード）７が構成される。そしてガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつ不透過性の材料よりなる一組のセパレーター１０が配置される。燃料極７側のセパレーター１０のガス流路８からは燃料ガスとして、例えば水素ガスが供給される。一方、空気極６側のセパレーター１０のガス流路８からは、酸化剤ガスとして、例えば酸素を含むガスが供給される。そして、燃料ガスの水素と酸素ガスとを触媒の存在下で電極反応させることにより、燃料極と空気極の間に起電力を生じることができる。
【００３３】
図２に示した固体高分子形燃料電池は一組のセパレーターに固体高分子電解質膜１、電極触媒層２、３、ガス拡散層４、５が狭持された。いわゆる単セル構造の固体高分子形燃料電池であるが、本発明にあっては、セパレーター１０を介して複数のセルを積層して燃料電池とすることもできる。
【００３４】
本発明の電極触媒層の製造方法にあっては、触媒物質と導電性物質と高分子電解質を備える電極触媒層において、前記触媒物質の表面に導電性を付与することで、電極触媒層の形成時に、触媒物質表面の導電性が高められる。その結果、反応活性点を増加させることができる。出力性能の向上した電極触媒層の製造方法及び電極触媒層並びに膜電極接合体、固体高分子形燃料電池を提供することができる。導電性物質は、導電性ポリマーや炭素粒子などが好適に用いられる。
【００３５】
本発明の電極触媒層の製造方法において、表面に導電性が付与された触媒物質を作製する工程にあっては、触媒物質と導電性ポリマーに対して所定の機械的エネルギーを加えることにより、触媒物質の周囲に導電性ポリマーを被覆することが可能である。例えば、ボールミルを用いて混合する手法がある。触媒物質への導電性ポリマーの被覆形態は、触媒物質表面の導電性を高めることができれば、触媒物質表面全体に被覆されていても、また、触媒物質表面の一部のみ被覆されていてもよい。
【００３６】
本発明の実施の形態に係る導電性ポリマーとしては、ポリエチレンジオキシチオフェン系ポリマー、ポリジオキシチオフェン系ポリマー、ポリチオフェン系ポリマー、ポリイソチアナフテン系ポリマー、ポリアニリン系ポリマー、ポリピロール系ポリマー等が挙げられる。水もしくは水系溶媒に可溶であるポリエチレンジオキシチオフェン系ポリマー、ポリジオキシチオフェン系ポリマー、ポリチオフェン系ポリマー、ポリイソチアナフテン系ポリマー、ポリアニリン系ポリマーが好ましい。
【００３７】
導電性ポリマーの含有量は、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることが好ましい。より好ましくは０．０１〜１０である。０．０１以下の場合だと、触媒物質の表面に十分に導電性ポリマーを被覆することができない。また、３０以上場合だと、導電性ポリマーが余剰となり、電極触媒層中の細孔を塞ぎ、ガス拡散性が低下してしまう。
【００３８】
触媒物質の表面に導電性ポリマーを被覆する方法として、触媒物質の表面にモノマーを被覆させた後、モノマーを重合させ、導電性ポリマーを被覆した触媒物質を作製することも可能である。重合方法としては、モノマー溶液に触媒物質を浸漬して酸化重合する方法や、熱重合法など、公知の方法を適用することが可能である。
【００３９】
本発明の電極触媒層の製造方法において、表面に導電性が付与された触媒物質を作製する工程にあっては、触媒物質と炭素粒子に対して所定の機械的エネルギーを加えることにより、触媒物質の周囲に炭素粒子を被覆しても良い。触媒物質への炭素粒子の被覆形態は、触媒物質表面の導電性を高めることができれば、触媒物質表面全体に被覆されていても、また、触媒物質表面の一部のみ被覆されていてもよい。
【００４０】
具体的に炭素粒子は、微粒子状で導電性を有し、触媒におかされないものであればどのようなものでも構わないが、カーボンブラックやグラファイト、黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレンが使用できる。炭素粒子の粒径は、触媒物質より小さい１０〜１００ｎｍ程度が、好適に用いられ、触媒物質を炭素粒子で被覆することが可能である。
【００４１】
本発明の実施の形態に係る触媒物質は、一般的に用いられているものを使用することができる。本発明において好ましくは、空気極における白金代替材料として固体高分子形燃料電池の正極として用いられる、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される、少なくとも一つの遷移金属元素を含む物質が使用できる。
【００４２】
また、より好ましくは、これら遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質が使用できる。
【００４３】
具体的には、Ｔａの炭窒化物（ＴａＣＮ）を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した物質（ＴａＣＮＯ）であり、その比表面積は、凡そ１ｍ２／ｇ以上２０ｍ２／ｇ以下である。
【００４４】
さらに詳細に本発明の実施の形態に係る膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池について説明する。
【００４５】
本発明の実施の形態に係る高分子電解質膜としては、プロトン伝導性を有するものであればよく、フッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、旭硝子（株）製Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ゴア社製Ｇｏｒｅ  Ｓｅｌｅｃｔ（登録商標）などを用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。
【００４６】
本発明の実施の形態に係る触媒インクに含まれる高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するものであれば良く、高分子電解質膜と同様のフッ素系高分子電解質、炭化水素系高分子電解質を用いることができる。フッ素系高分子電解質としては、例えば、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料などを用いることができる。また、炭化水素系高分子電解質膜としては、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレンなどの電解質膜を用いることができる。中でも、高分子電解質膜としてデュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）系材料を好適に用いることができる。なお、電極触媒層と高分子電解質膜の密着性を考慮すると、高分子電解質膜と同一の材料を用いることが好ましい。
【００４７】
触媒インクの分散媒として使用される溶媒は、触媒粒子や高分子電解質を浸食することがなく、高分子電解質を流動性の高い状態で溶解または微細ゲルとして分散できるものあれば特に制限はない。しかし、揮発性の有機溶媒が少なくとも含まれることが望ましく、特に限定されるものではないが、メタノール、エタノール、１−プロパノ―ル、２−プロパノ―ル、１−ブタノ−ル、２−ブタノ−ル、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、ペンタノ−ルなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ペンタノン、メチルイソブチルケトン、へプタノン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、アセトニルアセトン、ジイソブチルケトンなどのケトン系溶剤、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、アニソール、メトキシトルエン、ジブチルエーテルなどのエーテル系溶剤、その他ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジアセトンアルコール、１−メトキシ−２−プロパノールなどの極性溶剤などが使用される。また、これらの溶剤のうち二種以上を混合させたものも使用できる。
【００４８】
また、溶媒として低級アルコールを用いたものは発火の危険性が高く、このような溶媒を用いる際は水との混合溶媒にするのが好ましい。高分子電解質となじみがよい水が含まれていてもよい。水の添加量は、高分子電解質が分離して白濁を生じたり、ゲル化したりしない程度であれば特に制限はない。
【００４９】
本発明の電極触媒層の製造方法において、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程にあっては、予め導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質とを無溶媒で混合させた後、その混合物を高分子電解質と共に溶媒に分散させることが好ましい。導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質を無溶媒で混合させることで、メカノケミカル効果により、強固に２つの粉末を結びつけることが可能である。導電性が付与された触媒物質と混合させる他の導電性物質としては、触媒物質の表面に被覆した上述の導電性ポリマーや炭素粒子等が挙げられるが、特に炭素粒子が好ましい。
【００５０】
触媒物質や炭素粒子を分散させるために、触媒インクに分散剤が含まれていても良い。分散剤としては、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤などを挙げることができる。
【００５１】
上記アニオン界面活性剤としては、具体的には、例えば、アルキルエーテルカルボン酸塩、エーテルカルボン酸塩、アルカノイルザルコシン、アルカノイルグルタミン酸塩、アシルグルタメート、オレイン酸・Ｎ−メチルタウリン、オレイン酸カリウム・ジエタノールアミン塩、アルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート・トリエタノールアミン塩、特殊変成ポリエーテルエステル酸のアミン塩、高級脂肪酸誘導体のアミン塩、特殊変成ポリエステル酸のアミン塩、高分子量ポリエーテルエステル酸のアミン塩、特殊変成燐酸エステルのアミン塩、高分子量ポリエステル酸アミドアミン塩、特殊脂肪酸誘導体のアミドアミン塩、高級脂肪酸のアルキルアミン塩、高分子量ポリカルボン酸のアミドアミン塩、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのカルボン酸型界面活性剤、ジアルキルスルホサクシネート、スルホこはく酸ジアルキル塩、１，２−ビス（アルコキシカルボニル）−１−エタンスルホン酸塩、アルキルスルホネート、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩、アルファオレフィンスルホネート、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、アルキルベンゼンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホネート、ポリナフチルメタンスルホン酸塩、ナフタレンスルホネート−ホルマリン縮合物、アルキルナフタレンスルホネート、アルカノイルメチルタウリド、ラウリル硫酸エステルナトリウム塩、セチル硫酸エステルナトリウム塩、ステアリル硫酸エステルナトリウム塩、オレイル硫酸エステルナトリウム塩、ラウリルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型界面活性剤、アルキル硫酸エステル塩、硫酸アルキル塩、アルキルサルフェート、アルキルエーテルサルフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェート、アルキルポリエトキシ硫酸塩、ポリグリコールエーテルサルフェート、アルキルポリオキシエチレン硫酸塩、硫酸化油、高度硫酸化油などの硫酸エステル型界面活性剤、リン酸（モノまたはジ）アルキル塩、（モノまたはジ）アルキルホスフェート、（モノまたはジ）アルキルりん酸エステル塩、りん酸アルキルポリオキシエチレン塩、アルキルエーテルホスフェート、アルキルポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、りん酸アルキルフェニル・ポリオキシエチレン塩、アルキルフェニルエーテル・ホスフェート、アルキルフェニル・ポリエトキシ・りん酸塩、ポリオキシエチレン・アルキルフェニル・エーテルホスフェート、高級アルコールリン酸モノエステルジナトリウム塩、高級アルコールリン酸ジエステルジナトリウム塩、ジアルキルジチオリン酸亜鉛などのりん酸エステル型界面活性剤などが挙げられる。
【００５２】
上記カチオン界面活性剤としては、具体的には、例えば、ベンジルジメチル｛２−［２−（Ｐ−１，１，３，３−テトラメチルブチルフェノオキシ）エトオキシ］エチル｝アンモニウムクロライド、オクタデシルアミン酢酸塩、テトラデシルアミン酢酸塩、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、牛脂トリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ヤシジメチルベンジルアンモニウムクロライド、テトラデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、オクタデシルジメチルベンジルアンモニウムクロライド、ジオレイルジメチルアンモニウムクロライド、１−ヒドロキシエチル−２−牛脂イミダゾリン４級塩、２−ヘプタデセニルーヒドロキシエチルイミダゾリン、ステアラミドエチルジエチルアミン酢酸塩、ステアラミドエチルジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミンモノステアレートギ酸塩、アルキルピリジウム塩、高級アルキルアミンエチレンオキサイド付加物、ポリアクリルアミドアミン塩、変成ポリアクリルアミドアミン塩、パーフルオロアルキル第４級アンモニウムヨウ化物などが挙げられる。
【００５３】
上記両性界面活性剤としては、具体的には、例えば、ジメチルヤシベタイン、ジメチルラウリルベタイン、ラウリルアミノエチルグリシンナトリウム、ラウリルアミノプロピオン酸ナトリウム、ステアリルジメチルベタイン、ラウリルジヒドロキシエチルベタイン、アミドベタイン、イミダゾリニウムベタイン、レシチン、３−［ω−フルオロアルカノイル−Ｎ−エチルアミノ］−１−プロパンスルホン酸ナトリウム、Ｎ−［３−（パーフルオロオクタンスルホンアミド）プロピル］−Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−カルボキシメチレンアンモニウムベタインなどが挙げられる。
【００５４】
上記非イオン界面活性剤としては、具体的には、例えば、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド（１：２型）、ヤシ脂肪酸ジエタノールアミド（１：１型）、牛脂肪酸ジエタノールアミド（１：２型）、牛脂肪酸ジエタノールアミド（１：１型）、オレイン酸ジエタノールアミド（１：１型）、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、ポリエチレングリコールヤシアミン、ポリエチレングリコールステアリルアミン、ポリエチレングリコール牛脂アミン、ポリエチレングリコール牛脂プロピレンジアミン、ポリエチレングリコールジオレイルアミン、ジメチルラウリルアミンオキサイド、ジメチルステアリルアミンオキサイド、ジヒドロキシエチルラウリルアミンオキサイド、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、ポリビニルピロリドン、高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビットの脂肪酸エステル、ソルビタンの脂肪酸エステル、砂糖の脂肪酸エステルなどが挙げられる。
【００５５】
上記界面活性剤の中でもアルキルベンゼンスルホン酸、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸、α−オレフィンスルホン酸、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、油溶性アルキルベンゼンスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩などのスルホン酸型の界面活性剤は、カーボンの分散効果、分散剤の残存による触媒性能の変化などを考慮すると、好適である。
【００５６】
触媒インクは必要に応じて分散処理がおこなわれる。触媒インクの粘度、粒子のサイズは、触媒インクの分散処理の条件によって制御することができる。分散処理は、様々な装置を用いておこなうことができる。例えば、分散処理としては、ボールミルやロールミルによる処理、せん断ミルによる処理、湿式ミルによる処理、超音波分散処理などが挙げられる。また、遠心力で攪拌を行うホモジナイザーなどを用いても良い。
【００５７】
触媒インク中の固形分含有量は、多すぎると触媒インクの粘度が高くなるため電極触媒層表面にクラックが入りやすくなり、また逆に少なすぎると成膜レートが非常に遅く、生産性が低下してしまうため、１〜５０質量％であることが好ましい。固形分は触媒物質および炭素粒子と高分子電解質からなるが、炭素粒子を多くすると同じ固形分含有量でも粘度は高くなり、少なくすると粘度は低くなる。そのため、固形分に占める炭素粒子の割合は１０〜８０質量％が好ましい。また、このときの触媒インクの粘度は、０．１〜５００ｃＰ程度が好ましく、さらに好ましくは５〜１００ｃＰが良い。また触媒インクの分散時に分散剤を添加することで、粘度の制御をすることもできる。
【００５８】
また、触媒インクに造孔剤が含まれても良い。造孔剤は、電極触媒層の形成後に除去することで、細孔を形成することができる。酸やアルカリ、水に溶ける物質や、ショウノウなどの昇華する物質、熱分解する物質などを挙げることができる。温水で溶ける物質であれば、発電時に発生する水で取り除いても良い。
【００５９】
酸やアルカリ、水に溶ける造孔剤としては、炭酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酸化マグネシウムなどの酸可溶性無機塩類、アルミナ、シリカゲル、シリカゾルなどのアルカリ水溶液に可溶性の無機塩類、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、鉄などの酸またはアルカリに可溶性の金属類、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、リン酸一ナトリウムなどの水溶性無機塩類、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどの水溶性有機化合物類などが挙げられ、二種以上併用することも有効である。
【００６０】
本発明の電極触媒層の製造方法において、触媒インクから電極触媒層を作製する工程にあっては、触媒インクは基材上に塗布され、乾燥工程を経て電極触媒層が形成される。基材として、ガス拡散層もしくは転写シートを用いた場合には、接合工程によって高分子電解質膜の両面に電極触媒層は接合される。また、本発明の膜電極接合体にあっては、基材として高分子電解質膜を用い、高分子電解質膜の両面に直接触媒インクを塗布し、高分子電解質膜両面に直接電極触媒層を形成することもできる。
【００６１】
このとき、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディッピング法、スクリーン印刷法、ロールコーティング法、スプレー法などを用いることができる。例えば、加圧スプレー法、超音波スプレー法、静電噴霧法などのスプレー法は、塗工された触媒インクを乾燥させる際に凝集が起こりにくく、均質で空孔率の高い触媒層が得ることができる。
【００６２】
本発明の電極触媒層の製造方法における基材としては、ガス拡散層、転写シートもしくは高分子電解質膜を用いることができる。
【００６３】
基材として用いられる転写シートとしては、転写性がよい材質であればよく、例えばエチレンテトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。また、ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート、ポリアミド（ナイロン）、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレートなどの高分子シート、高分子フィルムを転写シートとして用いることができる。基材として転写シートを用いた場合には、高分子電解質膜に電極触媒層を接合後に転写シートを剥離し、高分子電解質膜の両面に触媒層を備える膜電極接合体とすることができる。
【００６４】
ガス拡散層としては、ガス拡散性と導電性とを有する材質のものを用いることができる。具体的にはガス拡散層としてはカーボンクロス、カーボンペーパー、不織布などのポーラスカーボン材を用いることができる。ガス拡散層は基材として用いることもできる。このとき、接合工程後にガス拡散層である基材を剥離する必要は無い。
【００６５】
ガス拡散層を基材として用いる場合には、触媒インクを塗布する前に、予め、ガス拡散層上に目処め層を形成させてもよい。目処め層は、触媒インクがガス拡散層の中に染み込むことを防止する層であり、触媒インクの塗布量が少ない場合でも目処め層上に堆積して三相界面を形成する。このような目処め層は、例えばフッ素系樹脂溶液にカーボン粒子を分散させ、フッ素系樹脂の融点以上の温度で焼結させることにより形成することができる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが利用できる。
【００６６】
セパレーターとしては、カーボンタイプあるいは金属タイプのものなどを用いることができる。なお、ガス拡散層とセパレーターは一体構造となっていても構わない。また、セパレーターもしくは電極触媒層が、ガス拡散層の機能を果たす場合にはガス拡散層は省略されていても構わない。燃料電池としては、ガス供給装置、冷却装置などその他付随する装置を組み立てることにより製造される。
【実施例】
【００６７】
本発明における燃料電池用電極触媒層の製造方法について、以下に具体的な実施例および比較例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例によって制限されるものではない。【００６８】
（実施例）および（比較例）について示す。【００６９】
（実施例）
〔表面に導電性が付与された触媒物質の作製〕
触媒物質として部分酸化したタンタル炭窒化物（ＴａＣＮＯ、比表面積９ｍ２／ｇ）と導電性物質として導電性ポリマー（ポリエチレンジオキシチオフェン、商品名：Ｂａｙｔｒｏｎ  ＰＥＤＯＴ：ティーエーケイミカル株式会社）を触媒物質が１に対して重量比で０．０５加え混錬し、表面に導電性が付与された触媒物質を作製した。【００７０】
〔触媒インクの調製〕
表面に導電性が付与された触媒物質と、炭素粒子（Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ、商品名：ＥＣ−３００Ｊ、ライオン社製、比表面積８００ｍ２／ｇ）、２０質量％高分子電解質溶液（ナフィオン：登録商標、デュポン社製）を、遊星ボールミル（商品名：Ｐ−７、フリッチュ・ジャパン社製）を用いて分散処理を行った。ボールミルのポット、ボールにはジルコニア製のものを用いた。触媒インクの組成において、表面に導電性が付与された触媒物質は、炭素粒子が１に対して重量比を４とした。また、高分子電解質は、炭素粒子が１に対して重量比で０．８になるように触媒インクを調整した。溶媒は超純水、１−プロパノ−ルを体積比で１：１とした。【００７１】
〔電極触媒層の形成方法〕
ドクターブレードにより、触媒インクを転写シートに塗布し、そして大気雰囲気中８０℃で５分間乾燥させた。電極触媒層の厚さは、触媒物質担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ２になるように調節し、空気極側の電極触媒層２を形成した。【００７２】
（比較例）
〔触媒インクの調製〕
触媒物質に導電性を付与する工程を除いた以外は、実施例と同様の手法で作製した。【００７３】
〔電極触媒層の作製方法〕
実施例と同様の手法で、転写シートに触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．４ｍｇ／ｃｍ２になるように調節し、空気極側の電極触媒層２を形成した。【００７４】
〔燃料極用電極触媒層の作製〕
白金担持量が５０質量％である白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）と、２０質量％高分子電解質溶液を溶媒中で混合し、遊星型ボールミルで分散処理をおこなった。分散時間を６０分間としたものを触媒インクとした。触媒インクの組成比は、白金担持カーボン中のカーボンと、高分子電解質は質量比で１：１とし、溶媒は超純水、１−プロパノ−ルを体積比で１：１とした。また、固形分含有量は１０質量％とした。電極触媒層２と同様の手法で、基材に触媒インクを塗布し、乾燥させた。電極触媒層の厚さは触媒物質担持量が０．３ｍｇ／ｃｍ２になるように調節し、燃料極側の電極触媒層３を形成した。【００７５】
（膜電極接合体の作製）
（実施例）および（比較例）において作製した空気極側電極触媒層２が形成された基材と、燃料極側電極触媒層３を形成された基材を５ｃｍ２の正方形に打ち抜き、高分子電解質膜（ナフィオン（登録商標名）２１２、デュポン社製）の両面に対面するように転写シートを配置し、１３０℃、１０分間の条件でホットプレスを行い、膜電極接合体１２を得た。得られた膜電極接合体１２の両面に、ガス拡散層として目処め層が形成されたカーボンクロス４、５を配置し、更に、一対のセパレーター１０で挟持し、単セルの固体高分子形燃料電池を作製した。【００７６】
〔発電特性〕
（評価条件）
東陽テクニカ社製ＧＦＴ−ＳＧ１の燃料電池測定装置を用いて、セル温度８０℃で、アノードおよびカソードともに１００％ＲＨの条件で発電特性評価を行った。燃料ガスとして純水素、酸化剤ガスとして純酸素を用い、流量一定による流量制御を行い燃料極側の背圧を２００ｋＰａ、空気極側の背圧を３００ｋＰａとした。【００７７】
（測定結果）
（実施例）で作製した膜電極接合体は、（比較例）で作製した膜電極接合体よりも抵抗が低く特性が向上した。これは、（実施例）では、触媒物質表面に導電性ポリマーを被覆することで、触媒物質の表面に十分な導電性を配置することが出来た為と推察した。
【符号の説明】
【００７８】
１          固体高分子電解質膜
２          電極触媒層
３          電極触媒層
１２        膜電極接合体
４          ガス拡散層
５          ガス拡散層
６          空気極（カソード）
７          燃料極（アノード）
８          ガス流路
９          冷却水流路
１０        セパレーター
【図１】
2011040060.tif 000002
【図２】
2011040060.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月10日(2010.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、
前記電極触媒層は触媒物質と導電性ポリマーと高分子電解質とを備え、
（１）前記触媒物質の表面に前記導電性ポリマーを有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、
（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、
（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程と
を備え、
前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項２】
前記工程（１）において、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項３】
前記工程（２）が、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質である炭素粒子とを無溶媒で混合させて得られる混合物と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項４】
前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項５】
前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項６】
表面に導電性ポリマーを有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備え、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
【請求項７】
前記他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項８】
前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項９】
前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１０】
前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項１１】
一対の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層が、請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、前記電極触媒層は触媒物質と導電性ポリマーと高分子電解質とを備え、（１）前記触媒物質の表面に前記導電性ポリマーを有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程とを備え、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の請求項２に係る発明は、前記工程（１）において、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の請求項３に係る発明は、前記工程（２）が、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質である炭素粒子とを無溶媒で混合させて得られる混合物と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明の請求項４に係る発明は、前記触媒物質が、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の請求項５に係る発明は、前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の請求項６に係る発明は、表面に導電性ポリマーを有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備え、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素を含むことを特徴とする燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明の請求項７に係る発明は、前記他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の請求項８に係る発明は、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明の請求項９に係る発明は、前記触媒物質は、前記遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明の請求項１０に係る発明は、前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明の請求項１１に係る発明は、一対の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層が、請求項１０に記載の燃料電池用電極触媒層であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体としたものである。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明の請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月18日(2011.5.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、
前記電極触媒層は触媒物質と導電性ポリマーと高分子電解質とを備え、
（１）前記触媒物質の表面に前記導電性ポリマーを有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、
（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、
（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程と
を備え、
前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した触媒物質であることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項２】
前記工程（１）において、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項３】
前記工程（２）が、導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質である炭素粒子とを無溶媒で混合させて得られる混合物と、高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項４】
前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法。
【請求項５】
表面に導電性ポリマーを有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備え、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した触媒物質であることを特徴とする燃料電池用電極触媒層。
【請求項６】
前記他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項７】
前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項８】
前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層。
【請求項９】
一対の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層が、請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体。
【請求項１０】
請求項９に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池用電極触媒層の製造方法であって、前記電極触媒層は触媒物質と導電性ポリマーと高分子電解質とを備え、（１）前記触媒物質の表面に前記導電性ポリマーを有し、導電性が付与された触媒物質を作製する工程と、（２）前記導電性が付与された触媒物質と他の導電性物質と前記高分子電解質とを溶媒に分散させた触媒インクを作製する工程と、（３）ガス拡散層、転写シートおよび高分子電解質膜から選択される基材上に、前記触媒インクを塗布して電極触媒層を形成する工程とを備え、前記触媒物質が、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した触媒物質であることを特徴とする燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の請求項４に係る発明は、前記触媒物質が、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極触媒層の製造方法としたものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の請求項５に係る発明は、表面に導電性ポリマーを有する触媒物質と、他の導電性物質と、高分子電解質とを備え、前記触媒物質は、固体高分子形燃料電池の正極として用いられる酸素還元電極用の電極活物質であって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒから選択される少なくとも一つの遷移金属元素の炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化した触媒物質であることを特徴とする燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明の請求項６に係る発明は、前記他の導電性物質が炭素粒子であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の請求項７に係る発明は、前記導電性ポリマーは、触媒物質が１に対して重量比で０．０１〜３０の範囲で被覆されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明の請求項８に係る発明は、前記触媒物質は、Ｔａの炭窒化物を、酸素を含む雰囲気中で部分酸化したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用電極触媒層としたものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
本発明の請求項９に係る発明は、一対の電極触媒層で挟まれたプロトン伝導性高分子電解質膜を、一対のガス拡散層で挟持した燃料電池用膜電極接合体であって、前記一対の電極触媒層のうち、正極側の電極触媒層が、請求項５に記載の燃料電池用電極触媒層であることを特徴とする燃料電池用膜電極接合体としたものである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明の請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の膜電極接合体が一対のセパレーターで狭持されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池としたものである。
【国際調査報告】
2011040060.tif 000004
2011040060.tif 000005
2011040060.tif 000006
2011040060.tif 000007
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